水性氟丙树脂透明隔热涂料的制备及性能

李楚忠，刘晓国, *，刘志强

（1.广州大学化学化工学院，广东 广州 510006；2.赣州永安安全生产科技服务有限公司，江西 赣州 341000）

随着经济和科学技术的发展，节能环保受到了越来越多的关注。对于建筑物较大面积的玻璃窗口及透明顶棚、汽车车窗等，太阳光的热辐射会增加空调的使用，造成能源的浪费。普通玻璃虽然透光性好，但在隔热方面存在着很大的缺陷。传统的解决方案是使用金属镀膜热反射玻璃或各种热反射贴膜等产品来达到降温的目的，但这些产品往往因其在可见光区透过率低、工艺条件复杂、价格昂贵等原因，限制了其推广应用[1-2]。而锑掺杂二氧化锡(简称ATO)纳米半导体材料具有独特的光电性能和气敏特性，被广泛应用于气敏元件、防辐射抗静电涂层、催化剂以及红外吸收阻隔材料等领域。研究证实，纳米ATO 制成的膜有很高的红外屏蔽效果和可见光区良好的透过率[3-5]。水性纳米透明隔热涂料不仅具有高效节能的效果，而且具有绿色环保、健康安全的综合优势，作为溶剂型玻璃纳米透明隔热涂料的替代产品，其市场前景广阔，且对于国家提倡的节能减排、环境保护有深刻的现实意义和积极的社会意义。

本文先合成了性能良好的水溶性氟丙树脂，采用共混法将水溶性氟丙树脂与水性纳米ATO 分散液共混，制备水性纳米ATO 透明隔热涂料。在良好的隔热性能的基础上，氟元素的特殊功能赋予了漆膜更好的耐沾污性、耐候性以及耐化学品性能。

1 实验

1.1 主要原料及仪器

本实验所用到的一些主要实验原料和试剂如下：丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、双丙酮丙烯酰胺(DAAM)、己二酰肼(ADH)、含氟丙烯酸单体(FB)、偶氮二异丁腈(AIBN)、乙醇、丙二醇甲醚(PM)，市售化学纯；UV-A 紫外线吸收剂和N,N-二甲基乙醇胺(ADEA)，市售工业级；水性纳米ATO 分散液(WATO，固含量40%，平均粒径87.14 nm)、去离子水，自制。

主要实验仪器：SM-1 砂磨搅拌分散机，长沙天创粉末技术有限公司；3101UV 紫外-可见光-近红外分光光度计，日本岛津公司；LS102 光学透过率测试仪，深圳市林上科技有限公司；JJ-100W 电动搅拌机，深圳市瑞鑫达科教仪器贸易部；ZKYY-2L 恒温油浴锅，巩义市予华仪器有限责任公司；隔热效果测试装置，自制。

1.2 实验方法

1.2.1 水性氟丙树脂的合成

按配方将BA、AA、MMA、HEMA、DAAM 等丙烯酸单体以及含氟丙烯酸单体FB[占丙烯酸单体总量的20%(质量分数，下同)]、引发剂AIBN 混合均匀，装入到分液漏斗中备用；按配方量将丙二醇甲醚(占单体总量的50%)加入到四口烧瓶中，并向四口烧瓶中充入氮气，加热至110 °C，开始向烧瓶中滴加混合均匀的单体混合物，温度控制在(110 ± 2) °C，时间控制在2.5 ～ 3.0 h 滴加完，然后保温4.0 h；真空抽出部分反应介质PM，降温至60 °C，加入占AA 用量80%的ADEA，搅拌0.5 h，制备得到水性有机氟改性丙烯酸树脂(固含64.24%)。

丙烯酸单体的用量如下(以质量分数表示)：

BA 29%

MMA 45%

AA 10%

HEMA 10%

DAAM 6%

1.2.2 水性纳米ATO 透明隔热涂料的制备

采用共混法制备水性纳米透明隔热涂料。取一定量的水溶性氟丙树脂，加入计量好的ADH，适量的乙醇、PM 以及去离子水搅拌均匀，在搅拌下按配方加入水性WATO 分散液，搅拌均匀，然后加适量的增稠剂、流平剂、消泡剂等各种水性助剂，混合均匀即可制得水性纳米ATO 透明隔热涂料。纳米ATO 透明隔热涂料配方如下(以质量分数表示)：

水性氟丙树脂(固含64.24%) 30%

乙二酰肼溶液(ADH，固含12%) 10%

水性纳米ATO 分散液(固含40%) 0 ～ 30%

去离子水 10% ～ 30%

乙醇、丙二醇甲醚、水性助剂等 适量

1.2.3 涂膜制备

把所制得的水性纳米ATO透明隔热涂料用线棒涂布器均匀涂覆于100 mm × 100 mm × 3 mm 的玻璃片(白玻)上，控制漆膜厚度为(10 ± 1) μm，在常温下(30 ± 2) °C 固化24 h，即得透明隔热涂膜。

1.3 性能测试与表征

1.3.1 光学性能表征

用光学透过率测试仪以及岛津UV3101 型紫外-可见光-近红外分光光度计测定水性纳米透明隔热涂料涂层在波长250 ～ 2 500 nm 范围内的透射光谱曲线，考察涂膜样品在各个波段的光学透过特性。

1.3.2 隔热性能的测定

隔热性能测试实验装置如图1所示，将配好的不同配比的隔热涂料涂覆于100 mm × 100 mm × 3 mm 的玻璃上，与没有涂膜的同样规格的空白玻璃片进行比较，模拟日照条件，采用500 W 的碘钨灯光源发射放热，箱顶温度均控制在(40 ± 1) °C，照射时间为6 h，每隔1 h 记录玻璃片下层温度，取其算术平均值作为温度数据，用此分析涂料的隔热性能。隔热效果测试装置见图1。

图1 隔热效果测试装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of the device for testing the heat insulating effect

2 结果与讨论

2.1 水性纳米ATO分散液用量对漆膜光学性能的影响

根据涂膜性能要求，在确定水性氟丙树脂清漆配方的基础上，改变WATO 用量，用黄金分割法设计实验点，在0 ～ 30%之间取点考察不同WATO 隔热浆料的添加量对产品漆膜隔热性能的影响，结果如图2所示。从图中可以看出，水性纳米ATO 浆料的用量越大，漆膜的红外光透过率就越低，也就是漆膜的红外阻隔效果越好，最高的红外阻隔可以达到86.74%；随着水性纳米ATO 浆料用量的增加，漆膜的可见光透过率呈下降趋势；而紫外光透过率下降的趋势缓慢，说明纳米ATO 对紫外线的吸收效果不是很好。根据玻璃隔热 涂料的要求，既要有较高的红外光阻隔，又必须有较高的可见光透过率，保持玻璃的通透性。因此，纳米ATO 的含量并不是越高越好，从图中可以得出纳米ATO 的最佳添加量为25.62%，其红外阻隔率可以达到80.21%，同时可见光透过率可以达到80.56%，达到玻璃隔热涂料的要求。

图2 纳米ATO 浆料添加量对漆膜光学性能的影响 Figure 2 Influence of the content of nano-ATO slurry on optical property of the film

2.2 涂膜的隔热性能测试结果分析

将制备有涂膜的白玻置于自制的500 W 碘钨灯隔热装置下，设定加热至40 °C，与空白玻璃进行比较，不同ATO含量的涂膜在不同光照时间下的温度测试结果如图3所示。

图3 不同样品隔热效果测试结果 Figure 3 Test results of insulating effect of different samples

从图3可以看出，与空白试样相比较，涂上水性纳米透明隔热涂料的玻璃片具有良好的隔热效果，随着水性纳米ATO 分散液添加量的增加，玻璃的隔热效果越来越好，添加量为30%时，隔热性能最好，与空白样相比，平衡温度最高相差了7.4 °C。但考虑到成本以及隔热玻璃透明度的要求，选择25.62%的纳米ATO浆料，其平衡温度与空白样相差6.8 °C，既保证良好的隔热效果同时又有较高的可见光透过率。

2.3 紫外线吸收剂添加量对漆膜光学性能的影响

为了提高产品的隔热性能，在添加25.62%纳米ATO 隔热浆料的基础上，添加经实验筛选的紫外线吸收剂UV-A，并考察紫外线吸收剂不同用量对漆膜紫外线透过率的影响，结果如图4所示。可以看出，紫外光透过率随着UV-A 用量的增加而呈下降趋势，当UV-A 的用量为3%时，漆膜的紫外光透过率仅为20.12%，之后，继续增加其用量，紫外线透过率变化不大。因此，从成本和实际效果考虑，选择紫外线吸收剂UV-A 添加量为3%。

图4 紫外线吸收剂用量对漆膜紫外光透过率的影响 Figure 4 Influence of the content of UV absorbent on UV transmittance of the film

2.4 漆膜在250 ～ 2 500 nm 波长范围的透射光谱分析

确定纳米ATO 隔热浆料添加量为25.62%、紫外线吸收剂UV-A 添加量为3%，制备了水性氟丙树脂纳米透明隔热涂料，按涂膜制备方法制备涂膜，通过岛津UV3101 型紫外-可见光-近红外分光光度计测定涂膜在波长250 ～ 2 500 nm 范围内的透射光谱曲线，结果如图5所示。

图5 隔热涂层在250 ～ 2 500 nm 波长的透射光谱曲线 Figure 5 Transmittance curve of insulation coating at wavelength 250-2 500 nm

从图5可以看出，试样在波长400 ～ 800 nm 之间具有较高的透过率，而在波长800 ～ 2 500 nm 的红外光区具有较好的阻隔效果，特别是波长在1 400 ～ 2 500 nm之间对红外光的阻隔效果特别明显，与文献[6-7]报道的一致。这说明本文制备的水性纳米透明隔热涂料具有良好的隔热效果，其红外阻隔率达到80.21%，可见光透过率为78%，紫外光透过率为20.12%。

2.5 水性纳米透明隔热涂料的基本性能

对以纳米ATO 隔热浆料添加量为25.62%、紫外线吸收剂UV-A 添加量为3%制备的水性氟丙树脂纳米透明隔热涂料涂膜的综合性能进行了测试，结果如表1所示。从表中可以得出，水性氟丙树脂纳米隔热涂料具有优异的漆膜性能及良好的隔热效果，达到了隔热涂料的基本要求，具有较好的应用前景和市场价值。

表1 水性氟丙树脂纳米隔热涂料涂膜性能测试结果 Table 1 Test results of film performance of water-based fluorine-containing acrylate resin nano heat-insulating coating

3 结论

通过连锁聚合方法合成了能常温固化的水性含氟丙烯酸树脂，将所合成的树脂与水性纳米ATO 分散液混合制备了水性纳米含氟丙烯酸透明隔热涂料，当水性纳米浆料WATO 的添加量为25.62%，同时加入3%的紫外线吸收剂UV-A，制得的水性纳米含氟丙烯酸透明隔热涂料涂膜的附着力为0 级，硬度2H，耐沾污性试验1 级，耐老化时间480 h，具有较好的可见光透过率和较好的红外光、紫外光阻隔率，其红外阻隔率达到80.21%，可见光透过率为 78%，紫外光透过率为20.12%，实现了较好的隔热效果。

[1]顾广新,魏勇,武利民.透明隔热玻璃涂料的研制[J].电镀与涂饰,2009,28 (3): 49-52.

[2]孟庆林,李宁,周荃,等.纳米透明隔热涂料的研制[J].太阳能学报,2006,27 (11): 1117-1119.

[3]张永进,赵石林.聚氨酯纳米ATO 透明隔热涂料的研制[J].化学建材,2004 (6): 18-19,45.

[4]朱银存,姜继森.纳米ATO 粉体的制备及应用研究进展[C]// 中国颗粒学会.第七届全国颗粒测试学术会议、2008 上海市颗粒学会年会论文集.2008: 181-184.

[5]龚圣,宋光泉,周新华,等.纳米锑掺杂氧化锡粒子在水中的分散性研究[J].陕西科技大学学报(自然科学版),2010,28 (3): 35-39.

[6]唐富龙.透明隔热纳米玻璃涂料的制备及性能研究[D].广州: 华南理工大学,2010.

[7]李楚忠,刘晓国.纳米透明隔热涂料的研究及应用现状[J].广州化工,2013,41 (3): 21-22,36.

[8]陈飞霞,付金栋,韦亚兵,等.纳米氧化铟锡透明隔热涂料的制备及性能表征[J].涂料工业,2004,34 (2): 48-51.

[9]杜郑帅,罗侃,焦钰,等.水性紫外光固化纳米透明隔热涂料的研制[J].化工新型材料,2010,38 (1): 58-60,106.